杜家溝煤礦地質環境保護與治理恢復的研究

邵元虎

（霍州煤電集團有限責任公司計劃發展部資源科，山西 霍州 031400）

霍州煤電集團河津杜家溝煤礦是由原杜家溝煤業、原楊洼煤礦、原高門溝煤業和原朝陽公司兼并重組而成，年生產能力60萬t。該煤礦可采煤層3、4、7層，總可采厚度1.2～1.3m。礦區的斷裂構造十分復雜，煤層分布連續性差。礦區地下水位較高，地形標高較低的塌陷區域極易成為塌陷積水區。本文主要是就該礦煤炭開采與加工利用引發的環境問題進行分析并提出相應的環境保護與治理恢復措施。

1 煤炭開采與加工利用引發的環境問題

杜家溝煤礦的開采對自然景觀格局及生態環境造成了較大影響，主要表現在地表塌陷，耕地損毀，水面擴大，地面建筑、城鄉基礎設施破壞等。同時，礦區的煤礦生產和居民生活產生的廢水及固體廢棄物排放會造成一定的環境污染問題。

1.1 地表塌陷與自然景觀格局改變

由于礦區地處平原地帶，煤層產狀平緩且累計可采厚度較大，開采導致的地面和塌陷區積水現象極為普遍。截至2017年底，杜家溝煤礦地表塌陷區總面積已達4500hm2，積水區域面積為1107hm2，占地表影響面積的32.62%，并以每年175hm2的速度增加。礦區采煤塌陷導致耕地大量減少，失地農民約3萬人，對傳統的農業耕作活動造成影響。同時，塌陷區居民搬遷耗費大量建設資金，新遷居民無地可耕。另外，采煤塌陷很大程度上改變了礦區的自然景觀格局，除傳統農田景觀外，城市空間布局也受到較大影響，塌陷區增加大片積水區域，形成了新的自然景觀格局并對城市規劃及發展產生深遠影響。

1.2 水環境與水資源條件改變

由于礦區地下水位較高，塌陷深度較大區域大多成為地面水體，部分水域與天然水系聯通。礦區因塌陷積水極大地改善了礦區水資源條件。礦區現共有采煤塌陷區8處多，可利用的塌陷水域總庫容約1200×104m3。在部分相對封閉區域，塌陷區水質相對較好，塌陷區水域水質達到Ⅲ類水標準。但是很多塌陷水域和淮北市天然地表水系貫通，受地表河流排污及人為活動影響較大，水質相對較差，為Ⅲ～Ⅴ水體，主要污染物為有機物和營養鹽類，水體污染較為嚴重的區域給塌陷區水環境保護帶來相當的壓力。

1.3 煤礦固體廢棄物

杜家溝煤礦是一個以精煤生產為主的企業，每年煤炭洗選不可避免地產生大量的煤矸石，選煤廠每年產生矸石和生產礦井每年產生的矸石一共約300×104t。這些矸石不僅占用土地，還會產生大量粉塵，對周圍空氣和水體造成影響。因此，與煤礦固體廢棄物綜合削減治理工程相關的煤矸石安全處理與處置技術研究顯得尤為重要。

2 礦區環境綜合治理技術研究

礦區的企業在進行煤炭資源開發的同時，積極開展礦區環境治理技術研究與實踐。包括有利于礦區環境保護與治理的礦區煤炭資源開發的規劃設計及開采工藝研究、水系治理與塌陷水域水質控制技術研究、土地復墾和煤矸石處置處理技術等方面的研究和工程實踐，實現采前規劃以提升塌陷區治理和資源轉化利用效果，采后分區分類治理，保障區域水資源與水環境功能，土地高效利用，以及生態環境與自然人文景觀相和諧。

2.1 礦區資源開發規劃設計與開采工藝

杜家溝煤礦礦區地面建筑物密集，存在嚴重的建筑物壓煤問題。針對區域地質構造復雜、采區內斷層發育、工作面間多數需留設斷層煤柱的特點，開展采動覆巖分區隔離注漿充填減少地面下沉采煤技術研究，并在該礦井成功實施，采動覆巖分區隔離注漿充填工藝如圖1所示。

圖1 采動覆巖分區隔離注漿充填工藝示意圖

2.2 礦區水環境綜合治理與污染控制技術

礦區的地面天然水體少，河流小且少，蓄水能力弱。區內人均水資源量327m3，不足全國的1/2和全省的1/4。因此，開展塌陷區水環境污染控制技術的研究，保護水資源環境，實現雨洪水資源化，對緩解淮北市經濟發展與水資源短缺的矛盾具有戰略意義。該礦區目前建設有煤焦化電產業基地，年最大用水量約2500×104m3。為解決用水問題，滿足工業園建設發展需要，集團公司發起成立礦區的水務有限責任公司，建設了引供水配套工程，該工程以中水、礦井疏干水作為水源，日處理凈水3.1×104t，設計投資2800萬元。同時，在煤礦塌陷區投資建立水庫，以有效利用雨洪資源。

其中塌陷區Ⅰ位于河流攔河閘上游1500m處，與河流干流連成一體；塌陷區Ⅱ位于攔河閘左側，兩塌陷區之間有連通溝，建有控制閘。塌陷區Ⅱ向工業園輸水，承擔著調蓄水和應急儲備兩大功能。通過項目的實施，對工業園的水庫進行預挖深處理，使園區水庫有效擴容；同時對原有已受到開采損害的地質環境進行修復，形成濱湖公園1.1hm2，有效地改善了礦區的環境質量和景觀格局。

2.3 土地復墾與高效利用

杜家溝礦區主要為土地利用率高的農業耕作區域，人口密集，土地墾殖程度高，人均占有耕地面積不足800m2。結合該礦的生產工況，決定利用煤矸石進行墊底復墾技術的應用。

充填復墾工藝主要由表層熟土剝離、邊界與標高設計、基質分層充填、平整碾壓和表土還原等環節構成。在充填復墾技術研究中，解決了如下問題：一是根據復墾土地利用類型的不同，在考慮經濟性前提下，研究解決最小覆土厚度，阻止煤矸石中微量有害元素通過暴露或植物根系吸收、累積遷移而對人體產生危害；二是針對農林復墾用地植物生長對水分和養分的要求，揭示水分運動特征，以促進降雨入滲與蒸發條件下土壤水分和養分的植物有效性。經復墾后動態監測，表層土壤與地下水中未發現污染跡象，煤矸石造地符合國家土壤質量標準。

2.4 煤矸石利用

煤矸石進行分類與資源化利用。熱值高的用于燃燒發電，熱值低的用于制磚，部分用于建筑路基，或井下充填開采。當前霍州煤電集團已建設擁有裝機容量4×30萬kW的煤矸石綜合利用電廠1座，主要用來處理杜家溝煤礦等礦區的煤矸石。年產量近3億標塊的煤矸石磚廠也建成投產，可消耗部分煤矸石，取得了良好的經濟和環境效益。

3 礦區環境治理綜合效益

杜家溝煤礦在開展環境綜合治理研究的基礎上，加強了對地質災害、塌陷土地、煤矸石等方面的環境工程實踐，取得了良好的經濟、社會和安全效益。

3.1 經濟效益分析

土地整理與復墾工程使得礦區新增農業和建設用地198.13hm2，恢復園林綠地和城市交通用地172.21hm2，建成的平原水庫為附近工業和居民生活用水提供保障，每年可實現經濟收入71.13萬元。另外，塌陷區還形成了景觀、休閑水域248.73hm2，每年可產生經濟效益253.86萬元。

3.2 環境效益分析

方案的實施環境效益顯著。具體表現在：

（1）通過塌陷區的恢復治理減輕對地形地貌景觀的破壞

通過對地面塌陷、地裂縫的恢復治理，可以防止塌陷區的地面因裂縫、塌陷、滑坡、崩塌等災害的影響而支離破碎，防止水土流失和土地沙漠化，減輕了對地形地貌景觀的破壞，有效地改善了礦區的地質環境質量，使得礦區土地的使用功能得到恢復和增加，對促進社會經濟的可持續發展、建設和諧礦區、和諧社會具有積極的作用。

（2）通過恢復植被有效地改善生態環境

通過對受地面塌陷和地裂縫影響的林地、草地采取補種油松和白羊草等措施，可以恢復和增加植被覆蓋率，進一步促進野生動物的繁殖，減少風沙，調節氣候，凈化空氣，美化環境，改善生態環境，創建一個有利于生產生活、環境優美的礦山生態環境。

3.3 社會效益

本項目地質環境保護與恢復治理方案的實施，將極大地避免地質災害的威脅，使各類地質災害發生的可能性大大降低，有效地保障了礦區附近的村莊、土地、水等資源，營造了一個良好的生產和工作環境。